ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 2, с. 165-170
УДК 551.510.41
СТРУКТУРА ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ОКИСИ УГЛЕРОДА В ТОЛЩЕ АТМОСФЕРЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЕВРАЗИИ (станция мониторинга "Иссык-Куль")
© 2013 г. В. Н. Арефьев*, Ф. В. Кашин*, М. Д. Орозалиев**, Н. И. Сизов*, В. П. Синяков**, Л. И. Сорокина**
*Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: LAS@typhoon.obninsk.ru **Киргизский государственный национальный университет 720033 Бишкек, ул. Манаса, 101 E-mail: Sinvalery@yandex.ru Поступила в редакцию 06.12.2011 г., после доработки 30.01.2012 г.
Приведены результаты измерений содержания СО в толще атмосферы методом солнечной молеку-лярно-абсорбционной спектроскопии. За 87 месяцев наблюдений среднее годовое содержание СО уменьшилось на ~19% при средней скорости годовых изменений —(0.14 ± 0.02) атм. • см в год. Максимумы и минимумы сезонных вариаций чаще всего приходятся соответственно на февраль и сентябрь. Средняя полная амплитуда изменений содержания СО в годовом цикле составляет около 50% от среднего значения. Фурье-анализ выявил составные колебания вариаций СО с периодами от 3 до 84 месяцев. Простая статистическая модель удовлетворительно описывает временные изменения содержания СО в толще атмосферы. Результаты измерений содержания СО в толще атмосферы сопоставлены с данными измерений СО в пробах приземного воздуха на станциях Глобальной службы атмосферы.
Ключевые слова: окись углерода, толща атмосферы, сезонные вариации.
Б01: 10.7868/80002351513020041
ВВЕДЕНИЕ
Малая газовая составляющая атмосферы — окись углерода СО оказывает климатическое и токсическое воздействия на природную среду Земли. В естественных условиях СО образуется в реакциях окисления метана, изопренов, терпенов, а также поступает в атмосферу из океанов и при извержениях вулканов. Сток СО происходит в реакциях с радикалом гидроксила и озоном [1]. В последние десятилетия становятся все более значительными антропогенные источники СО. Эмиссия СО в атмосферу проистекает в процессе неполного сгорания топлива в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре, в первую очередь, в двигателях внутреннего сгорания (автотранспорт), на топливно-энергетических и химических предприятиях, а также при горении лесов и торфяников. Это обусловило необходимость повсеместного контроля СО, который осуществляется на международных и национальных станциях мониторинга атмосферы [2, 3],
включая созданную совместно российскими и киргизскими учеными станцию "Иссык-Куль" (КК, 242 N00 [3]).
В настоящей статье приводятся результаты измерений общего (интегрального) содержания СО в столбе атмосферы на станции 1БК в период с 2004 по 2011 гг.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА
Для измерений общего содержания СО в столбе атмосферы широко применяется метод солнечной молекулярно-абсорбционной спектроскопии [4—17].
Содержание газа определяется по величине поглощения солнечного излучения атмосферой в области спектра, включающего полосу поглощения СО. В данной работе используется область полосы поглощения v3 с центром около 4.7 мкм (2100 см-1). В реальной атмосфере эта полоса перекрыта линиями полос поглощения водяного
Я
0.010 0.005 0
-0.005
2004 2006 2008 2010 -°.°10 2005 2007 2009 2011 Время, год
Рис. 1. Средние месячные (1) и сглаженные (2) величины содержания СО, линейный тренд (3) и скорость изменений (4).
н
св
иТ и
я
св
X
р
Т
д
о О
Т и
Д
Й 0.08 |0.06 kj 0.04
0.09
0.06
0.03
1 2 3 4 5
6 7 8 9 101112 Месяц
2004 2006 2008 2010
2005 2007 2009 2011 Время, год
Рис. 2. Сезонные вариации и средний за время наблюдений сезонный ход СО (вертикальные отрезки — диапазон изменений СО в течение месяца).
пара, углекислого газа и закиси азота, поэтому для уточнения необходимых участков спектра были проведены лабораторные эксперименты и модельные расчеты, на основе которых выбраны наиболее оптимальные участки спектра 2153.94— 2155.51 и 2155.95—2157.33 см-1, включающие сильные линии поглощения окиси углерода при минимальном влиянии линий поглощения других газов. Зарегистрированные в этих участках функции пропускания солнечного излучения атмосферой сопоставляются с аналогичными функциями, рассчитанными методом line by line. Методика таких расчетов и спектрометрический комплекс аппаратуры, состоящий из системы слежения за Солнцем, спектрометра и ЭВМ, обеспечивающей управление комплексом, запись, обработку и хранение информации, подробно описаны в [18]. Инструментальная погрешность единичного измерения содержания СО, определенная по результатам лабораторных экспериментов и модельных расчетов, составляет не более 4%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Данные мониторинга СО на станции ISK в период с июля 2004 по сентябрь 2011 гг. подтверждают известные факты наличия сезонных вариаций и отрицательного тренда СО [11, 13, 15]. На рис. 1 приведены величины среднего месячного содержания СО в столбе атмосферы (См, атм. • см), линейный тренд, а также характеризующие изменения от года к году сглаженные, т.е. с исключенными сезонными вариациями, содержания СО (Сг, атм. • см)) и скорость изменения СО (R, атм. • см) в год — производная по Сг). Отсутствие данных в ряде месяцев 2008, 2009 и 2011 гг. вызвано техническими причинами.
Временные изменения См (рис. 1) в первом приближении можно описать уравнением линей-
ной регрессии, параметры которого определяются по См:
см = С + в, (1)
где Смг атм. • см) — среднее месячное содержание СО для месяца с порядковым номером г (г = 1 — июль 2004 г.); С0 = (5.64 ± 0.02) х 10-2 атм. • см) — содержание СО к началу измерений г = 0; В=—(0.129 ± ± 0.004) х 10—2 атм. • см) в месяц — показатель линейного тренда.
Среднее за период наблюдений См в толще атмосферы на станции КК составило (5.59 ± 1.10) х х 10—2 атм. • см, а Сг при этом уменьшилось на ~19% при средней скорости изменений: Я = —(0.14 ± ± 0.02) х 10—2 атм. • см в год.
Сезонные вариации СО демонстрирует рис. 2, где представлены средние месячные величины СО за вычетом линейного тренда, что позволило исключить влияние вариаций с периодом больше года. На этом же рисунке приведены амплитуды сезонных вариаций содержания СО для каждого месяца за весь период измерений.
Максимумы и минимумы сезонных вариаций чаще всего приходятся соответственно на февраль и сентябрь, а в отдельные годы экстремумы смещаются на один-два месяца. Средняя амплитуда изменений содержания СО в годовом цикле составляет (2.82 ± 0.60) х 10—2 атм. • см, т.е. около 50% от среднего значения (5.62 ± 0.02) х 10—2 атм. • см.
Анализ спектральных характеристик вариаций концентрации СО, включающих периоды амплитуды и фазы составных колебаний, проведен при помощи классического Фурье-преобразования [19], позволяющего выявить периоды составных колебаний. Для соблюдения условия стационарности в анализе использованы средние месячные содержания СО с исключенным линейным трендом. Результаты Фурье-преобразования приведены на рис. 3.
СТРУКТУРА ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ОКИСИ УГЛЕРОДА
167
0.03 г
3 4 6 9 12 16 21 31 50 84 Период, мес.
Рис. 3. Спектр колебаний средних месячных содержаний СО.
Уточнение параметров составных колебаний (периодов П;, амплитуд А^ и сдвигов фаз у) проводилось по данным измерений мультирегрессион-ным методом наименьших квадратов. В качестве первого приближения использовались значения периодов, полученные с помощью Фурье-анализа. Причем сначала находились параметры основного, самого интенсивного колебания, а потом, исключив его, определяются параметры следующего и так далее. При этом было выявлено колебание с периодом 84 мес., которое не проявляется в Фурье-анализе. В завершение с уточненными периодами вычислены параметры сразу всех колебаний, представленные в табл. 1.
Периоды выявленных колебаний не противоречат литературным данным (см. например, [20— 26]), где они связываются с различными гелио-геофизическими явлениями.
МОДЕЛЬ ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Для аппроксимации экспериментальных данных, приведенных на рис. 1, использована простая статистическая модель:
См(0 = См + 2А,.СС8 (2П/П; + ¥,), (2)
где См(0 — концентрация углекислого газа в заданный месяц V, См — временной линейный тренд по формуле (1); П., и Т. — параметры колебаний (табл. 2).
Расчет по модели (2) с параметрами из табл. 2 описывает временные изменения экспериментальных средних месячных величин содержания окиси углерода в толще атмосфере со среднеквадратичным отклонением ~5%.
Расчетные и экспериментальные средние годовые величины согласуются между собой со среднеквадратичным отклонением менее 1%, причем достаточно учитывать только колебания с периодами больше 12 месяцев (рис. 4). Удовлетворительное согласие данных измерений и модели свидетельствует о том, что изменения содержания окиси углерода в толще атмосферы определяются известными периодическими геофизическими явлениями при очень слабом влиянии местных приземных источников [20—25].
СРАВНЕНИЕ С ДРУГИМИ СТАНЦИМИ
На станциях Глобальной службы атмосферы (ГСА) контролируется концентрация (отношение смеси) СО (млрд.-1) в пробах воздуха [2, 3], тогда как метод солнечной молекулярно-абсорбцион-ной спектроскопии дает общее (интегральное) содержание СО в столбе атмосферы (атм. • см). Для сравнения результатов измерений двумя этими методами из [26] были заимствованы вертикальный профиль СО и средние месячные вертикальные профили температуры и давления, последние для каждого дня измерений привязывались к реально измеряемым приземным значениям этих параметров. При таких допущениях рассчитывается содержание газа в
Время, год
Рис. 4. Средние месячные (1, 3) и годовые (2, 4) ссодержания СО, (1 и 3— экспериментальные, 2 и 4 — расчетные значения).
Таблица 1. Параметры составных колебаний
П;, мес. A¡х 103 атм. • см П;, мес. A¡ х 103 атм. • см
3 0.96 ± 0.49 1.70 ± 0.52 13 0.06 ± 0.02 0.98 ± 0.41
4 1.35 ± 0.50 2.40 ± 0.37 16 0.17 ± 0.03 1.94 ± 0.15
5 0.60 ± 0.50 1.12 ± 0.83 19 0.55 ± 0.03 1.17 ± 0.06
6 1.27 ± 0.50 -1.32 ± 0.39 21 0.72 ± 0.04 -1.72 ± 0.05
8 1.28 ± 0.51 -0.68 ± 0.40 31 0.39 ± 0.02 -1.22 ± 0.06
9 1.44 ± 0.51 -0.58 ± 0.35 50 0.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.